数字电子技术教学课件

数字电子技术教学课件第一章数字电子技术概述基础概念与意义数字电子技术是研究数字信号的产生、传输、处理及应用的技术它以二进制为基础，通过离散信号表示和处理信息从年晶体管发明到如今的超大规模集成电路，数字电子技术已经历了从分立元件、1947小规模集成电路、中规模集成电路到超大规模集成电路的迅猛发展数字与模拟的对比模拟信号特点信号在时间和幅值上连续变化抗干扰能力较弱•信号处理和存储复杂•典型例子传统电话、收音机•数字信号特点信号以离散值表示（通常为高低电平）强大的抗干扰能力和纠错能力•易于存储、复制和处理•典型例子计算机、数字通信•第二章数制与码制基础常用数制二进制（）十进制（）Binary Decimal基数为，仅使用、两个数字，是计算机内部基数为，使用十个数字，是人类日常使201100-9的基本数制用的数制例₂×××1101=12³+12²+02¹+1×2⁰=13₁₀十六进制（）Hexadecimal基数为，使用和共个符号，常用于简化二进制表示160-9A-F16例2F₁₆=2×16¹+15×16⁰=47₁₀数制转换基本方法除基取余法（十进制转其他进制）•按权展开法（其他进制转十进制）•数制与码制的实际应用码格雷码BCD用位二进制表示一个十进制数字，常用于数相邻数值仅一位不同的编码，用于减少传输错4字显示系统误例₁₀应用旋转编码器、数据传输5=0101BCD字符编码汉明码、等编码标准具有纠错能力的编码，能检测并纠正单比特错ASCII Unicode误从早期的位到现代，支持全7ASCII Unicode球语言广泛应用于存储系统和通信第三章基本逻辑运算与逻辑门电路基本逻辑运算复合逻辑门与非门（）与运算后取反NAND与运算（）AND或非门（）或运算后取反NOR符号或∧异或门（）输入不同时输出为·XOR1同或门（）输入相同时输出为真值表仅当所有输入均为时，输出为•XNOR111电路符号或运算（）OR符号或∨+真值表当任一输入为时，输出为11电路符号≥1非运算（）NOT符号或¯¬真值表输入为时输出，输入为时输出0110电路符号1逻辑门电路的物理实现年年

194719593.5ns晶体管发明集成电路诞生门典型延迟TTL贝尔实验室的肖克利等人发明了晶体管，开启了现代杰克基尔比发明了第一个集成电路，实现了多个电子传统逻辑门的传输延迟时间，则可低至·TTL CMOS1ns电子技术时代元件集成在单个芯片上以下逻辑门特点逻辑门特点TTL CMOS采用双极型晶体管工艺采用互补型金属氧化物半导体工艺速度较快，驱动能力强功耗极低（静态几乎为零）••功耗较高，抗干扰能力一般抗干扰能力强，电源范围宽••标准门高电平，低电平•TTL

2.4-5V0-

0.4V第四章逻辑代数基础布尔代数基本定理基本公式•A·0=0•A·1=A•A+0=A逻辑函数的基本形式1•A+1=1最小项之和（）•SOM•A·A=A最大项之积（）•POM•A+A=A与或式（）•SOP•A·Ā=0或与式（）•POS•A+Ā=1重要定律交换律A+B=B+A,A·B=B·A结合律2A+B+C=A+B+C,A·B·C=A·B·C分配律A·B+C=A·B+A·C,A+B·C=A+B·A+C摩根定律A+B̄=Ā·B̄,A·B̄=Ā+B̄吸收律A+A·B=A,A·A+B=A逻辑代数的应用逻辑函数表示方法逻辑表达式化简意义真值表列出所有可能的输入组合及对应输出减少逻辑门数量，降低成本•逻辑表达式用布尔代数公式表示减少信号传输路径，提高速度•逻辑图用逻辑门符号直观表示降低电路复杂度，提高可靠性•卡诺图图形化表示便于化简减少功耗，延长设备使用寿命••化简案例演示原始表达式F=A·B·C+A·B·C̄+A·B̄·C+A·B̄·C̄化简过程

1.A·B·C+A·B·C̄=A·B·C+C̄=A·B·1=A·B

2.A·B̄·C+A·B̄·C̄=A·B̄·C+C̄=A·B̄·1=A·B̄

3.A·B+A·B̄=A·B+B̄=A·1=A第五章逻辑函数的表示及化简公式法化简技巧利用吸收律合并项A+A·B=A利用分配律提取公因式利用消去律A·B+A·B̄=A利用摩根定律转换与非和或非表达式识别特殊结构（如异或形式）

5.卡诺图法卡诺图结构卡诺图化简规则无关项处理卡诺图化简实战卡诺图化简基本流程步骤一构建卡诺图根据真值表或逻辑表达式，在卡诺图相应位置填入、或（无关项）10X步骤二圈取最大组找出所有值为的格子，按的幂次（、、、）圈取相邻的最大组，每个至少被圈一次

121248...1步骤三提取表达式每个圈对应一个与项（乘积项），圈内保持不变的变量保留，变化的变量消去，最后用或连接所有项步骤四验证结果通过检查原始表达式与化简后表达式在所有输入组合下是否等价，确认化简正确性卡诺图在四变量及以内的逻辑函数化简中非常直观高效对于五个以上变量，通常采用奎因麦克拉斯-基（）算法或计算机辅助工具进行化简Quine-McCluskey第六章组合逻辑电路分析与设计组合逻辑电路特点任一时刻的输出仅由当前输入决定不含有记忆元件（如触发器）•电路无反馈回路•输出可用布尔函数表示•设计流程分析方法确定输入输出变量及其关系依次分析中间节点逻辑关系

1.•建立真值表由输入到输出追踪信号路径

2.•得到逻辑函数表达式识别电路中的基本功能模块

3.•化简逻辑函数计算关键路径延迟

4.•选择合适的逻辑门实现电路

5.分析电路性能（延迟、功耗等）

6.常用组合逻辑模块半加器全加器译码器功能两个位二进制数相加功能考虑进位的两位二进制加法功能将位二进制码转换为个互斥输出1n2ⁿ输入输入（进位输入）典型应用地址译码、七段显示器驱动A,B A,B,Cin输出和⊕，进位输出⊕⊕，⊕结构译码器有个输入，个输出S=A BC=A·B S=A BCin Cout=AB+A BCinn-to-2ⁿ3-to-838实现个门个门实现个半加器个门1XOR+1AND2+1OR数值比较器数值比较器用于比较两个二进制数的大小关系，输出、或AB A=B A位比较器直接比较两个位的值•1多位比较器从高位开始逐位比较•级联比较器可通过级联扩展位数•典型应用包括处理器中的条件判断、排序电路、控制系统等组合逻辑电路扩展多位加法器的设计多位加法器通过级联全加器实现，有两种常见结构行波进位加法器（）Ripple CarryAdder结构简单，面积小•延迟随位数线性增加•超前进位加法器（）Carry Look-ahead Adder速度快，延迟与位数关系较小•电路复杂度高•多路复用器与选择器基本功能应用场景级联扩展多路复用器（）根据选择信号从多个输数据选择、总线切换、分时复用通信等多路通过级联，可以构建更大规模的复用器如用MUX入通道中选择一个输出如选多路复用器复用器也可用于实现任意组合逻辑函数，是可两个选多路复用器和一个选多路复用器214121有输入、，选择信号，当时输出，编程逻辑的基础可构成选多路复用器A BS S=0A81时输出S=1B第七章触发器基础触发器分类与特性触发器1SR最基本的触发器类型，有置位和复位两个输入S R特点结构简单，但有的禁止状态S=R=12触发器D数据触发器，克服了触发器的禁止状态问题D SR特点最常用的触发器，输出跟随数据输入触发器3JK触发器的改进版，解决了禁止状态问题SR特点时输出翻转，功能最强大J=K=14触发器T翻转触发器，当时输出翻转Toggle T=1特点常用于分频电路和计数器触发器是数字系统中基本的存储单元，能够存储位二进制信息它们是所有时序逻辑电路（如寄存器、计数器、状态机）的基础构建块触发器的工作方式分为电平触发和边沿触发两种1触发器的时序分析关键时序参数tsu th建立时间保持时间时钟边沿到来前，数据必须保持稳定的最时钟边沿到来后，数据必须保持稳定的最锁存器与触发器的区别短时间短时间透明锁存器电平敏感，时钟有效期间持续采样输入边沿触发器仅在时钟边沿（上升沿或下降沿）采样输入tco边沿触发器在高速系统中更常用，因为它们能有效避免竞争冒险问题时钟到输出延迟时钟边沿到输出变化的时间触发器应用举例寄存器多个触发器并联，用于存储多位数据D计数器利用触发器或触发器的翻转特性构建T JK分频器对输入时钟频率进行二分频、四分频等操作状态机用触发器存储当前状态，组合逻辑决定下一状态第八章时序逻辑电路设计同步时序电路所有触发器由同一时钟信号控制•状态转换仅在时钟边沿发生•设计简单，易于分析•主流数字系统采用的结构异步时序电路•状态变化不依赖统一的时钟由输入信号直接触发状态转换•设计复杂，分析困难•速度潜力更大，功耗可能更低时序逻辑电路设计流程确定功能需求明确电路功能、输入输出、时序要求等建立状态图确定状态数量、状态转换条件和输出关系状态编码为每个状态分配二进制码，选择合适的编码方式导出状态转换方程确定下一状态逻辑和输出逻辑的布尔表达式电路实现与验证实现逻辑电路，验证功能和时序是否满足要求计数器详解计数器分类按同步方式分类同步计数器所有触发器共用一个时钟信号异步计数器前一级触发器输出作为后一级的时钟信号按计数序列分类二进制计数器按二进制数顺序计数十进制计数器模计数器，用于十进制显示10格雷码计数器按格雷码序列计数环形计数器循环移位的计数方式计数器关键参数模值计数周期，如模计数器循环计数80-7计数方向递增、递减或可双向最大频率正常工作的最高时钟频率预置功能能否设置初始计数值计数器应用实例数字时钟频率计地址计数器利用分频计数器实现秒、分、时的计数，通常用多个模计在固定门控时间内对输入信号进行计数，测量频率在存储器和微处理器中用于顺序访问存储单元10数器和模计数器组合6第九章脉冲波形产生与整形基本脉冲参数幅值脉宽脉冲的最大值，常用伏特表示脉冲持续时间，通常在幅值处测量50%上升时间下降时间从到幅值所需时间从到幅值所需时间10%90%90%10%多稳态触发器双稳态单稳态无稳态（自激振荡）有两个稳定状态，如触发器一个稳定状态，一个暂时状态无稳定状态，持续振荡特点具有记忆功能，保持状态直到外部触发特点输出脉冲宽度固定，用于延时或整形特点可产生连续的矩形波，作为时钟源定时器是一种常用的集成电路，可配置为单稳态、无稳态或双稳态模式它由比较器、触发器和放电管组成，通过外部元件控制定时参数广泛应用于脉冲发生、延时控制和波555RC PWM形生成等场景脉冲整形电路实例脉冲宽度调制（）原理PWM是一种将模拟信号转换为数字脉冲序列的调制技术，通过调整脉冲宽度（占空比）PWM来控制输出功率占空比定义脉冲高电平持续时间与周期的比值•基本原理比较参考电压与锯齿波三角波•/控制方式通过改变参考电压或调整比较器阈值•广泛应用于电机控制、调光、开关电源、音频放大等领域PWM LED实际电路案例施密特触发器单稳态多谐振荡器延迟线脉冲整形一种具有滞回特性的整形电路，能将缓慢变化的接收到触发信号后产生固定宽度脉冲，常用于延利用逻辑门的传输延迟产生短脉冲，适用于生成信号或含噪声的信号转换为干净的方波时控制或脉冲整形窄脉冲特点具有两个不同的阈值电平（上阈值和下阈可用定时器或系列单稳态触发器实现，脉典型电路输入信号同时送入一个反相器和一个55574值），防止在噪声环境中的误触发宽由时间常数决定与门，反相器输出经延迟后与原信号进行与操作RC第十章半导体存储器基础存储器分类按读写特性分类（随机访问存储器）可随时读写，断电数据丢失RAM（只读存储器）只读不可写或写入困难，断电数据保持ROM细分RAM（静态）基于触发器，速度快，成本高•SRAM RAM（动态）基于电容，需定期刷新，密度高细分•DRAM RAMROM掩模出厂编程，不可更改•ROM一次可编程•PROM可擦除可编程（紫外线擦除）•EPROM电擦除可编程•EEPROM改进型，按块擦除•Flash EEPROM存储器基本结构存储阵列地址译码器由存储单元矩阵组成，每个单元存储位信息将地址总线信号解码为特定存储单元的选择信号1缓冲器控制逻辑I/O完成数据总线与存储单元之间的数据传输产生读写控制信号，管理存储器操作时序/存储器的应用与设计存储器读写控制电路基本读写操作需要以下信号地址信号（）指定要访问的存储单元Address片选信号（）激活选中的存储芯片CS/CE读写控制信号（）确定操作类型/R/W,OE,WE数据信号（）双向传输数据内容Data在多个存储器组成的系统中，需要设计地址译码电路实现芯片选择和地址映射存储器性能指标容量存取时间带宽功耗存储器可存储的总位数，如（吉比从发出地址到得到有效数据所需时间，通单位时间内可传输的数据量，如工作和待机状态下的功耗，移动设备尤为4Gb48GB/s特）常为级重要ns存储器芯片选型时，需综合考虑容量需求、速度要求、接口类型、功耗限制、成本预算等因素在设计接口电路时，必须严格遵循时序要求，避免地址建立时间、数据保持时间等参数不满足导致的读写错误第十一章数模与模数转换电路模数转换器ADC数模转换器DAC将模拟信号转换为数字信号将数字信号转换为模拟信号主要类型主要类型逐次逼近型•SAR权电阻网络型•双积分型•梯形网络型•R-2R并行比较型•电流开关型•型•Σ-Δ应用场景主要性能指标音频处理声音的采集与播放分辨率最小可分辨的模拟量变化数据采集传感器信号处理精度实际转换值与理想值的偏差信号生成波形发生器转换速率每秒完成的转换次数自动控制控制系统单调性输入增加时输出不减少PID数模模数转换电路设计常用芯片DAC位电流输出DAC08088DAC通道位AD5628812DAC高性能音频PCM1792DAC常用芯片ADC位逐次逼近型ADC08048ADC位高精度ADS111516ADC通道同步采样AD76068ADC转换精度与速度的权衡高速低分辨率应用中速中分辨率应用低速高分辨率应用并行比较型（）适用于视频信号、逐次逼近型（）提供良好的速度型提供极高分辨率（最高位），但ADC FlashADC ADCSAR ADCΣ-ΔADC24高速数据采集等场景，转换速度可达，但分与分辨率平衡，常用于工业控制、医疗设备等，速度较慢，适用于精密测量、音频录制等对精度Gsps辨率通常只有位分辨率为位，速度为至量级要求高的场合6-810-16kHz MHz设计转换电路时，要注意信号调理、抗混叠滤波、参考电压稳定等关键环节，这些往往比转换芯片本身更影响系统整体性能数字电子技术综合应用案例数字钟表设计简易数字温度计核心组件系统组成晶振和分频电路产生精确的时基信号温度传感器如数字传感器•1Hz•DS18B20计数器对秒、分、时进行计数微控制器读取传感器数据并处理••译码器和显示驱动驱动数码管或显示转换器将模拟温度信号转换为数字信号（若使用模拟传感器）•LCD•A/D按键和控制电路设置时间、切换显示模式显示电路数码管或显示温度值••LCD实现技术可使用专用时钟芯片如，或用基本数字元件搭建实现方案基于单片机的嵌入式系统设计DS1302数字控制系统基础数字控制系统是将数字技术应用于控制领域的典型案例，其基本组成包括传感器与信号调理电路

1.模数转换器（）

2.ADC数字控制器（处理器或）

3.FPGA数模转换器（）

4.DAC执行机构（如电机、阀门等）

5.与传统模拟控制相比，数字控制具有抗干扰能力强、精度高、灵活性好等优点数字电子技术发展趋势可编程逻辑器件（可编程逻辑器PLD件）如、等简单可编程GAL PAL器件，容量较小（复杂可编程逻CPLD优势辑器件）FPGA多个和互连资源的集成，硬件级并行处理能力PLD•（现场可编程门FPGA适合中等复杂度设计高度可定制化•阵列）快速原型验证•基于查找表（）的可重后期可更新功能LUT•配置架构，可实现超大规模集成电路功能发展方向低功耗设计人工智能硬件量子与新型计算移动设备和物联网应用驱动了超低功耗数字电路技术专用神经网络处理器（）、可重构计算架构等量子计算、神经形态计算等新范式将推动数字电路理NPU发展，包括亚阈值逻辑、能量收集、动态功耗管理等正成为数字电路新热点，加速深度学习算法的硬件实论向新方向发展，突破传统冯诺依曼架构限制·创新技术现学习资源与工具推荐经典教材与课程123经典教材在线课程专业论坛与网站《数字电子技术基础》（阎石，高等教育出版社）中国大学《数字电子技术》电子发烧友网站••MOOC•《数字设计原理与实践》（著，机械工业出版社）《》数字图书馆•Wakerly•Coursera DigitalSystems:From LogicGates toProcessors•IEEE Xplore《》（著）《》（）电子工程问答•Digital Designand ComputerArchitecture HarrisHarris•edX ComputationStructures MIT•Stack Exchange《数字集成电路分析与设计》（著，电子工业出版社）站电子工程师课程《从零开始学习数字电路》开源电子项目•CMOS Kang•B•GitHub仿真与开发工具电路仿真软件等，支持数字电路功能验证与波形分析Multisim,Proteus,LTspice开发工具FPGA支持从设计到硬件实现的完整流程Xilinx Vivado,Intel QuartusPrime,HDL开源硬件平台等，适合快速原型开发和实践学习Arduino,Raspberry Pi,ESP32课程总结与学习建议知识体系回顾基础知识数制、码制、逻辑代数、逻辑门组合逻辑电路逻辑函数化简、组合电路分析与设计时序逻辑电路触发器、计数器、寄存器、状态机功能电路存储器、AD/DA转换器、脉冲电路系统设计数字系统综合应用、FPGA开发有效学习方法理论与实践结合不仅理解概念，还要亲手搭建电路循序渐进先掌握基础，再学习复杂系统注重思维训练培养逻辑分析和问题解决能力借助工具利用仿真软件辅助理解和验证持续更新知识关注行业发展动态和新技术互动问答与讨论典型问题解析问为什么要学习数字电子技术？问数字电路设计最常见的错误是什么？问如何从数字电路设计过渡到开发？FPGA答数字电子技术是现代信息技术的基础，从智能手机到超级计算机，答时序问题是最常见且最难排查的错误，如建立时间保持时间违例、答首先需要掌握硬件描述语言（）如或，这是描/HDL VerilogVHDL从家用电器到工业控制，无处不在掌握数字电子技术，既可以理解现亚稳态、竞争冒险等其他常见错误包括负载能力不足、地线电源噪声述数字电路的编程语言然后熟悉开发流程，包括设计输入、综/FPGA代设备的工作原理，也为进一步学习计算机科学、通信技术、自动控制处理不当、静电防护不足等系统地学习时序分析和遵循良好的设计规合、实现、时序分析和下载调试最好从简单项目开始，如计数器、状等专业奠定基础范可以避免大部分问题态机等，逐步提高到更复杂的系统设计课后思考题分析门电路和门电路在功耗、速度、扇出等方面的优缺点

1.CMOS TTL设计一个位二进制加法器，要求能处理进位

2.3用状态机设计一个序列检测器，当输入出现特定序列时输出变为

3.10111比较不同类型的工作原理，并分析其适用场景

4.ADC研究中查找表（）的工作原理，说明它如何实现任意组合逻辑功能

5.FPGA LUT欢迎将你的问题和想法分享到课程讨论区教师和助教将定期回复，同学之间也可以互相交流学习心得和解决方案致谢与展望感谢与鼓励感谢所有参与本课程学习的同学们数字电子技术学习是一段充满挑战但也极具回报的旅程特别感谢课程开发团队、实验室技术人员以及提供宝贵反馈的历届学生希望大家能将所学知识应用到实际项目中，持续探索数字电子技术的无限可能终身学习，持续创新未来学习与研究方向数字电子技术的未来充满无限可能深入学习计算机体系结构，理解、存储层次等核心概念CPU愿你们成为这一领域的探索者和创造者探索嵌入式系统设计，将数字电路与软件结合关注人工智能硬件加速领域的发展了解高速设计和信号完整性相关知识PCB探索前沿领域如量子计算电路和光电集成。